JP2008141835A - モータの制御方法及びそれを利用するモータ制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】モータをコンピュータを用いた非線形有限要素法などで解析し、各電流値における各巻線の磁束鎖交数を求め、この磁束鎖交数のデータテーブルを備え、このデータデーブルの情報を使用してモータの電圧制御を行い、モータの制御パラメータの適正化をモータ制御中にオンラインで制御することにより高精密なモータ制御を実現する。
【選択図】図4
Description
本発明は上記問題の解決をその目的としている。
この実施例の制御方法は、このように複雑な挙動を示すモータの制御を、理論的にはほとんど誤差無く制御する方法、制御装置を提供するものである。その概略的な考え方は次の通りである。制御対象のモータについて、オフラインで、
(1)モータの各電流動作点(id、iq)における磁束鎖交数(Ψd、Ψq)をコンピュータを使用した非線形有限要素法などの解析技術によりもとめる。
(2)各電流動作点(id、iq)における磁束鎖交数(Ψd、Ψq)を表すデータテーブルData T1を作成する。例えば、図10に示すような各電流動作点(id、iq)に対する磁束鎖交数をデータテーブルとして表したものである。
(3)トルク指令T*および回転数ωに対応する電流指令値(id*、iq*)を表すデータテーブルData T2を作成する。
(4)モータを制御する制御装置において、オンラインで、トルク指令T*および回転数ωに対応した電流指令値(id*、iq*)を、データテーブルData T2を使用して、内挿計算して求める。
(5)電流指令値(id*、iq*)におけるフィードフォワード電圧(FFd、FFq)を求める。
(6)電流指令値(id*、iq*)における電流制御ループのループゲイン定数(Gd、Gq)を求める。
(7)その他については従来と同様の、モータの電圧、電流等の制御を行う。このような概略手順により、モータの各動作点における適切な制御を行うことにより、高速応答、高精度な制御を実現することができる。また、高速回転に対しても適切な制御が可能であり、ロータに永久磁石を含む場合においても永久磁石の有無を意識することなく同一の手法で制御することができる。それぞれの具体的な方法について、以下に説明する。
図4は本発明制御装置のブロックダイアグラムである。各制御信号である、変数、パラメータ等の演算は、マイクロプロセッサーのソフトウェアによって実行される。また、ゲートアレイなどのハードウェアによって実現することも可能である。図39に示す従来の制御装置と同一の構成要素については、同一の符号で示す。131は各電流動作点(id、iq)における磁束鎖交数(Ψd、Ψq)を表すデータテーブルData T1である。132はトルク指令値T*と回転数ωの条件から適切な電流指令値(id*、iq*)を求めるためのデータテーブルData T2である。134は電流指令値(id*、iq*)におけるフィードフォワード電圧(FFd、FFq)を回転数ωと磁束鎖交数(Ψd、Ψq)より求める電圧信号発生手段である。135は電流指令値(id*、iq*)近傍の磁束鎖交数(Ψd、Ψq)の情報から電流の微少変化の範囲におけるインダクタンスから電流制御ループのゲイン(Gd、Gq)を求める。
次に、図4に示した各構成要素の具体的な内容について、図1のモータを例として説明する。まず、モータの諸量は次のように表すことができる。
次に、図4の131に示す各電流動作点(id、iq)における磁束鎖交数(Ψd、Ψq)を表すデータテーブルData T1の具体的な求め方の例について説明する。
このような条件において、例えば、d軸電流idを10種類、q軸電流iqを10種類だけ選択する時、全ての組み合わせの電流(id、iq)である100種類の電流(id、iq)について計算し、求めることになる。図1のモータについて、これらの電流値(id、iq)における磁束鎖交数Ψd(id、iq)、Ψq(id、iq)を非線形有限要素法等で求めることができ、その結果を図10のテーブルデータとして得ることができる。この図10のテーブルを図4に示す制御装置の121のデータテーブルData T1として使用することができる。
次に、磁束鎖交数を有限要素法などの解析データから求める具体的な方法を、次の(a)〜(i)項に示す。
d、q軸の磁束鎖交数Ψd(id1 、iq1)、Ψq(id1 、iq1)は次の数40、数41の式として、数38)、数39の式の値を使用して求めることができる。そして、図10のテーブルを作成することができる。
図36に示すモータは、3相、4極、6スロットのモータであり、短節巻き、集中巻き、ノンオーバラッピング巻きのモータである。ノンオーバラッピング巻きとは、3相のU、V、W巻線が相互に分離された構成であって、各相の巻線が3相全節巻きの巻線の様に物理的に重ならないことを意味している。TBU1、TBU2はU相の歯、TBV1、TBV2はV相の歯、TBW1、TBW2はW相の歯であり、344はステータコアのバックヨークである。これらの歯のロータに対向する面の円周方向形状を直線展開した図を図35に示す。横軸を電気角で示している。U、V、Wはモータの3相端子で、Nは3相巻線をスター結線した中性点である。各相の巻線を各相の歯に集中的に巻回している。345はロータの永久磁石で、表面磁石型ロータの例を図示している。
次に、図40に示すモータ150は、3相交流で動作する8極モータであり、ロータ11、永久磁石12、ステータ14を含んで構成されていて、特徴的には、円周方向に、概略、ループ形状の巻線15、16、17、18を持つモータである。
Em =−Eu =−dφu /dθ
En =Ew =dφw /dθ
次に、図40に示すようなループ状巻線を持つモータの磁束鎖交数のデータテーブルを作成する方法について示す。前記したように、図40から図51に示したようなモータは、等価的に、図35、図36に示すような3相の短節巻き、集中巻き、ノンオーバラッピング巻きのモータと電磁気的なモータモデルは等価な作用をするので、先に示した図40等のいわゆる集中巻きのモータと同じ方法で磁束鎖交数を求めることができる。そして、図23、図24のモータモデルで、数44、数45の式を使用して解析し、計算すればよい。
以上、各種のモータについて、図9に示すインダクタンステーブル、あるいは、図10に示す磁束鎖交数テーブルの求め方について詳細に示した。次に具体的な形状のモータについて非線形有限要素法で計算した例について示す。すなわち、(a)〜(f)に記述したインダクタンス算定方法で求めたLd(id1 、iq1)、Lq(id1 、iq1)の妥当性について、図1に示したマルチフラックスバリア型のシンクロナスリラクタンスモータトルクの例で検証する。
次に、図1のモータの界磁弱め領域について、前記方法で求めたインダクタンスから計算されるトルクの精度について検証する。図12は横軸を電流位相角θc 、縦軸をトルクTとし、q軸電流iq=10A、20A、30A、40Aをパラメータとした特性である。インダクタンスから数2の式で計算したトルクT25L、T50L、T75L、T100Lは、d軸電流の微少な領域においても、非線形有限要素法で求めたトルクT25fem、T50fem、T75fem、T100femに近い値が得られており、各動作点において正確なインダクタンスが得られていることが解る。
次に、モータの界磁弱め制御は行わず、モータのトルクを主に制御する場合、いわゆる定トルク型制御におけるブラシレスモータの具体的な制御の方法例について示す。まず最初に、制御対象モータについて、非線形有限要素法解析と計算により図9に示すようなインダクタンスデータテーブルあるいは図10に示すような磁束鎖交数データテーブルを作成する。そして、図4のモータ制御ブロックダイアグラムで示されるような制御を行う。そして、この制御の特徴的な部分は、トルク指令値T*から、132のデータテーブルData T2を使用して、電流指令値id*、iq*を決定する方法である。
次に、界磁弱め制御を行う場合の、ブラシレスモータの具体的な制御の方法例について示す。界磁弱め制御はモータの磁束量を制御するので、電源電圧の大きさが限定されている場合においても、高速回転まで駆動することができる。そして、界磁弱め制御の領域ではモータの端子電圧が電源電圧を超えないように制御し、電流は一定電流を超えないように制御すると、その時、出力は電圧と電流との積が一定になり、定出力制御を実現することにもなる。これは、モータの端子電圧を上げることなく高速回転まで定出力制御できるので、インバータのトランジスタの電流容量を過大にすることなく制御できることを意味し、インバータのサイズとコストを低減できることにもなる。
図1、2等に示したマルチフラックスバリア型のシンクロナスリラクタンスモータのベクトル図は、図19の様に表される。横軸はd軸で縦軸はq軸であり、回転座標系で示しており、回転子の回転位置を基準に構成したベクトル図となっている。電流はid、iqであり、合成電流はiaである。磁束鎖交数はΨd、Ψqであり、合成した磁束鎖交数はΨaである。電圧vd、vqは数1の式あるいは数8の式で表され、磁束鎖交数の電圧成分−ωΨd、ωΨqと抵抗の電圧降下成分id×R、iq×Rとで表される。磁束鎖交数の電圧成分はVaで、抵抗の電圧降下R2×iaで、合成電圧はV2である。電流位相角はθcで、モータの力率βは、数75の式で表される。
次にモータの制御モードの切り替え制御について説明する。モータ及びその制御に対する要求は、用途およびモータ特性により種々である。また一つの機器におけるモータの運転においても、種々の運転特性を、その時々において求められることも少なくない。例えば、応答性が優先される高速応答型制御が求められる場合、最大効率の制御が求められる場合、それらの中間的な制御が求められる場合、高速回転での運転あるいは定出力制御が求められる場合などがある。自動車の運転に例えると、大きな加速が必要な場合は性能優先であり、一定速運転および回生運転などでは効率優先の運転が求められる。
次に、モータの制御精度を向上させる方法について説明する。モータを精度良く制御するためには、より正確な電圧信号を計算し、その電圧をモータへ印加させることは大変効果的である。図4に示す制御装置の例では、d軸電圧信号はFFdであり、q軸電圧信号はFFqである。これらの信号FFd、FFqは、電流指令値(id*、iq*)が電流指令手段133によりデータテーブル132を使用して計算された後、電圧信号発生手段134により、データテーブル131の各電流値(id*、iq*)における磁束鎖交数データ(Ψd、Ψq)を使用し、数8の式により計算され、数76、数77の式となる。
次に、モータの制御精度を、電流のフィードバックループの制御感度を各電流動作点において適正化させることにより、向上させる方法について説明する。電流のフィードバックループのループゲインが高すぎると発振現象を起こし、電流を精度良く制御できない。また、発振現象により過大電流が流れ、電力半導体を破損することもある。逆に、電流のフィードバックループのループゲインが低すぎると、発振現象は起きないが、電流の指令に対する応答性が悪くなり、電流制御誤差が大きくなり、モータの制御性能が劣化する。モータを精度良く制御するためには、より正確なモータ制御モデルであると同時に、モータの非線形性、電源電圧の変動などに対応できるように電流のフィードバックループのゲインを適正化することが重要である。前記したように、図2の示すようなインダクタンス変化を示すモータにおいては、低電流領域と最大電流の領域とではインダクタンスに10倍くらいの大きさの差が発生することもあり、このような場合には、電流制御ループゲインを10倍くらい可変する必要がある。例えば、ハイブリッド自動車において、モータによる車庫入れの自動位置決め行う場合、加速時などの大電流領域で過電流とならないように電流制御ループゲインGd 、Gqを設定すると、車庫入れ位置決めなどの小電流領域ではLd 、 Lqが数倍大きくなるためゲインが不足して応答性が劣化する問題がある。また、高速回転領域での界磁弱めによる定出力制御を行う場合、電源電圧の飽和を回避するための調整、電流の安定性を確保する調整が複雑化するという問題もある。
次に、モータの制御における逐次の計算量を低減し、マイクロプロセッサのモータ制御時の実時間における計算量を軽減する方法について説明する。前記のモータ制御における制御例では、図9もしくは図10のデータテーブルの値を使用して、数76〜数78の式の値を逐次計算する方法について説明した。これらの計算を前もって計算し、各電流(id、iq)における数76〜数78の式の値を図9もしくは図10に示すデータテーブルの行列に加えて記憶しておけば、モータ制御時の実時間における計算量を軽減することができる。制御実時間の計算は、電流(id、iq)の動作点におけるd、q軸の前記電圧信号FFd、FFq、および、前記電流ループゲインGd、Gqを、動作電流(id、iq)の周辺の電流値のデータテーブルの値から内挿計算して求めることができる。また、近似的には、動作電流(id、iq)の近傍の電流値のデータテーブルの値FFd、FFq、Gd、Gqで代用することもできる。
次に、モータ巻線の漏れ磁束鎖交数Ψkd、Ψkqをより正確に表現し、モータを制御する方法について示す。漏れ磁束鎖交数とは、巻線に鎖交する磁束成分ではあるが、トルク発生にはほとんど作用しないコイルエンド部の磁束成分などの、無効な磁束鎖交数成分である。モータの種類により、漏れ磁束鎖交数Ψkd、Ψkqが大きいモータ、小さいモータがあり、大きいモータの場合、無視できない問題となる。
また、数80、数81の式は下記の数84の式のようにも書ける。
次に、本発明においてより高精度化が必要な場合には、さらに、モータの固定子に発生する鉄損の計算を数14の式に付加することにより、数85の式とすることができる。
次に、モータのセンサレス位置検出、センサレス速度検出への応用について説明する。モータ制御システムにおいて、エンコーダなどによりモータの回転位置、速度を検出して制御することが一般的に行われている。一方、回転位置検出器、回転速度検出器などはその信頼性、コスト、大きさ、そして、配線および制御装置側のインターフェイス回路のコスト、スペース、信頼性などの観点から、センサーレス位置検出に関する技術が盛んに研究され、実用化されている。本発明においては、モータの非線形有限要素法解析によるモータの正確な情報を図9、図10などのデータテーブルとして備えており、これらのモータ情報を効果的に使用して、より正確で効率良いセンサレス位置検出が可能となる。
次に、本発明の説明で使用するモータモデルの3種類の座標について説明する。いづれも良く知られた座標である。大別して、固定子を中心として考える固定座標系と回転子を中心として考える回転座標系に分けられる。固定座標系は、図31に示すように、U、V、W軸で表す固定3相座標系とα、β軸で表す固定2相座標系を使用して表現している。図31は2極のモータモデルで、701、702、703は3相の固定子巻線であるU相巻線、V相巻線、W相巻線である。そして、これらの3相巻線はモータモデル的に等価な、破線で示す2相巻線のα巻線704とβ巻線705で置き換えることができる。一方、回転座標系は、図5、図6、図7で示したように、回転子の回転方向位置のd、q軸で表現する座標系である。なお、これらの座標系以外に変換して、等価な制御を実現することもできる。
次に、センサレス位置検出の一つの方法を、図28に示す。図29はそのモータ制御の全体を示す図で、センサレス位置検出を行うセンサレス検出手段は59Sである。このセンサレス検出手段59Sの内部構成は種々の構成で実現することができる。なお、図29のセンサレス検出手段59Sには、その入力信号等の接続関係を図示していないが、種々の制御情報を使用してモータの推定回転位置θsr、推定角速度ωsを推定計算する。図29のその他の構成は、図4に示すモータ回転位置を検出するエンコーダ592を備えるモータ制御装置と同じ構成の例を示している。前記の座標系の変形等、種々変形が可能である。
次に、他の方法のモータのセンサレス位置検出、センサレス速度検出の方法について説明する。この方法は、モータ電流の微小変化に伴う電圧変化からロータ回転位置推定値θsrおよびロータ回転速度推定値ωsを求めるものである。これは、モータ電流に強制的にロータ回転位置検出用の高周波電流を重畳する、あるいは、測定するタイミングでパルス的な電流などを重畳して電流変化を与え、電圧変化を計測し、一方、図9あるいは図10のデータテーブルに示すようなコンピュータにより非線形有限要素法などで正確に得られたモータ情報を利用して推定電圧、推定電流を計算し、両値の差が小さくなるような回転位置推定値θsrと回転角速度推定値ωsを求めるものである。
次に、センサレス位置検出方法の他の方法を示す。図32は、図29のセンサレス位置検出を含むモータ制御装置の一部を変形し、より詳しく記載したブロックダイアグラムである。モータの座標は、センサレス位置検出のアルゴリズムをより簡素に記載するため、回転座標系であるd、q軸座標と固定座標系であるα、β軸座標、および、U、V、W軸座標を使用している。図32の左上部の入力信号vd*、vq*は、それぞれ、d軸電圧指令、q軸電圧指令であり、図29のそれらと同じものである。711は、d、q軸信号をα、β軸信号vα*、vβ*に変換する座標変換手段である。712は、α、β軸信号vα*、vβ*をU、V、W軸信号vu*、vv*、vw*に変換する座標変換手段である。713は、3相電流iu、iv=−iu−iw、iwをα、β軸座標の電流iα、iβへ変換する座標変換手段である。714は、ロータの推定回転位置θsrを使用して、d、q軸座標の推定電流isd、isqへ変換する座標変換手段である。
次に、モータの位置制御、速度制御、電流制御において、エンコーダあるいはレゾルバなどの回転位置検出器を使用せずに、センサレス位置検出制御によりモータの制御を行い、より安全に、より高信頼にモータを制御する方法について説明する。このような場合の従来の問題点は、センサレス位置検出の位置精度が不正確な状態においても、モータ電流の電流フィードバックの電流制御ループを回転座標系を使用していることに起因する。極端な例としては、センサレス位置検出の回転位置情報θsrの位置誤差θeが電気角で180°の誤差である場合は、各相の電流制御は負帰還ではなく、正帰還になってしまい、電流制御のフィードバックループは発散し、インバータの電流制限の値まで過大な電流が流れてしまうことになる。また、前記回転位置情報θsrの位置検出誤差θeが比較的小さな場合においても、その位置検出誤差θeに相当した電流誤差Δieが発生し、そして、電流制御ループのオーバーシュートなどの不安定さの問題を誘発することもある。本発明の目的は、これらの電流誤差Δieを軽減し、その弊害を低減することである。
交流モータの電機子巻線に流れる複数の電流を変数とする関数であって前記交流モータの所定部位の前記巻線と鎖交する磁束量に相関を有する量である磁束鎖交数Ψをそれぞれ表す複数の磁束鎖交数関数の値と前記複数の電流の値との間の関係をデータとして予め保持すると共に前記データに基づいて前記磁束鎖交数Ψに関する情報である磁束鎖交数相関量を求める磁束鎖交数決定部と、
求めた前記磁束鎖交数相関量に基づいて前記交流モータのトルク、速度及び回転位置の少なくとも一つを所定の目標値に制御するべく前記複数の電流を制御する制御部と、
を備えることを特徴とするモータの制御装置。
請求項1において、
前記交流モータは、永久磁石をもつロータを有するモータの制御装置。
請求項1又は2において、
前記データは、
前記複数の磁束鎖交数関数の値に所定の定数値を加算乃至乗算した値、及び、前記複数の磁束鎖交数関数の値に対して前記複数の電流を変数とする所定の関数の値を加算乃至乗算した値のどちらかと、前記複数の電流の値との関係を示すモータの制御装置。
請求項1〜3のいずれかにおいて、
前記データは、
前記複数の電流の値に対応する前記複数の磁束鎖交数関数の値の近似値と、前記複数の電流の値との間の関係を示す近似関数の値と、前記複数の電流の値との間の関係を示すモータの制御装置。
請求項1〜4において、
前記磁束鎖交数関数は、前記複数の電流に基づいて有限要素法により算出されるモータの制御装置。
請求項1〜3のいずれかにおいて、
前記磁束鎖交数関数は、前記データから内挿法により算出されるモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
前記データは、dq軸回転座標系により記載されるモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
前記データは、直交静止座標系又は三相座標系により記載されるモータの制御装置。
請求項7において、
前記交流モータは、3相交流モータからなり、
前記磁束鎖交数決定部は、
d、q軸に換算した電流(id、iq)が所定値(id1、iq1)である時の前記交流モータの磁束分布から所定のd軸磁束量φnd及びq軸磁束量φnqを求め、
dq軸電流(id、iq)が所定値(id1、iq1)である時のd軸磁束量φndと、前記巻線のうちほぼd軸位置にあると見なせる巻線部分のターン数Nsdとの積φnd×Nsdを3相の前記巻線ごとに求め、
前記3相の各巻線ごとに求めた前記積φnd×Nsdの和を求めてd軸磁束鎖交数の和Σ(φnd×Nsd)とし、
前記磁束鎖交数の和Σ(φnd×Nsd)に所定の定数値を乗算して前記dq軸電流(id、iq)の所定値(id1、iq1)におけるd軸磁束鎖交数Ψd(id1、iq1)を前記磁束鎖交数関数の値として求め、
dq軸電流(id、iq)が所定値(id1、iq1)である時のq軸磁束量φnqと、前記巻線のうちほぼq軸位置にあると見なせる巻線部分のターン数Nsqとの積φnq×Nsqを前記3相の巻線ごとに求め、
前記3相の各巻線ごとに求めた前記積φnq×Nsqの和を求めてq軸磁束鎖交数の和Σ(φnq×Nsq)とし、
前記磁束鎖交数の和Σ(φnq×Nsq)に所定の定数値を乗算して前記dq軸電流(id、iq)の所定値(id1、iq1)におけるq軸磁束鎖交数Ψq(id1、iq1)を前記磁束鎖交数関数の値として求めるモータの制御装置。
請求項7において、
前記交流モータは、
短節巻き又は集中巻きされて3相の前記巻線が交叉しない3相交流モータからなり、
前記磁束鎖交数決定部は、
d、q軸に換算した電流(id、iq)が所定値(id1、iq1)である時の前記交流モータの磁束分布から所定のd軸磁束量φnd及びq軸磁束量φnqを求め、
dq軸電流(id、iq)が所定値(id1、iq1)である時のd軸磁束量φndと、前記巻線のうちほぼd軸位置にあると見なせる巻線部分のターン数Nsdとの積φnd×Nsdを前記3相の各巻線ごとに求め、
前記3相の各巻線ごとに求めた前記積φnd×Nsdの和を求めてd軸磁束鎖交数の和Σ(φnd×Nsd)とし、
前記磁束鎖交数の和Σ(φnd×Nsd)に所定の定数値を乗算して前記dq軸電流(id、iq)の所定値(id1、iq1)におけるd軸磁束鎖交数Ψd(id1、iq1)を前記磁束鎖交数関数の値として求め、
dq軸電流(id、iq)が所定値(id1、iq1)である時のq軸磁束量φnqと、前記巻線のうちほぼq軸位置にあると見なせる巻線部分のターン数Nsqとの積φnq×Nsqを前記3相の各巻線ごとに求め、
前記3相の各巻線ごとに求めた前記積φnq×Nsqの和を求めてq軸磁束鎖交数の和Σ(φnq×Nsq)とし、
前記磁束鎖交数の和Σ(φnq×Nsq)に所定の定数値を乗算して前記dq軸電流(id、iq)の所定値(id1、iq1)におけるq軸磁束鎖交数Ψq(id1、iq1)を前記磁束鎖交数関数の値として求めるモータの制御装置。
請求項7において、
前記交流モータは、
同相のステータ磁極を6極以上有するとともに前記巻線がティースに巻装されたループ状の巻線からなる3相交流モータからなり、
前記磁束鎖交数決定部は、
d、q軸に換算した電流(id、iq)が所定値(id1、iq1)である時の前記交流モータの磁束分布から所定のd軸磁束量φnd及びq軸磁束量φnqを求め、
dq軸電流(id、iq)が所定値(id1、iq1)である時のd軸磁束量φndと、前記ティースのうちほぼd軸位置にあると見なせる前記ティースに巻装された前記巻線のターン数Nsdとの積φnd×Nsdを前記3相の各巻線ごとに求め、
前記3相の各巻線ごとに求めた前記積φnd×Nsdの和を求めてd軸磁束鎖交数の和Σ(φnd×Nsd)とし、
前記磁束鎖交数の和Σ(φnd×Nsd)に所定の定数値を乗算して前記dq軸電流(id、iq)の所定値(id1、iq1)におけるd軸磁束鎖交数Ψd(id1、iq1)を前記磁束鎖交数関数の値として求め、
dq軸電流(id、iq)が所定値(id1、iq1)である時のq軸磁束量φnqと、前記ティースのうちほぼd軸位置にあると見なせる前記ティースに巻装された前記巻線のターン数Nsqとの積φnq×Nsqを前記3相の各巻線ごとに求め、
前記3相の各巻線ごとに求めた前記積φnq×Nsqの和を求めてq軸磁束鎖交数の和Σ(φnq×Nsq)とし、
前記磁束鎖交数の和Σ(φnq×Nsq)に所定の定数値を乗算して前記dq軸電流(id、iq)の所定値(id1、iq1)におけるq軸磁束鎖交数Ψq(id1、iq1)を前記磁束鎖交数関数の値として求めるモータの制御装置。
請求項9〜11のいずれかにおいて、
前記磁束鎖交数決定部は、
前記d軸磁束鎖交数Ψd(id1、iq1)とd軸電流id1との比であるd軸の磁束鎖交数比例係数LLd(id1、iq1)と、前記q軸磁束鎖交数Ψq(id1、iq1)とq軸電流iq1との比であるq軸の磁束鎖交数比例係数LLq(id1、iq1)とを前記データとして保持するとともに、前記d軸の磁束鎖交数比例係数LLd(id1、iq1)及びq軸の磁束鎖交数比例係数LLq(id1、iq1)に基づいて前記磁束鎖交数関数を導出するモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
前記制御部は、
前記磁束鎖交数Ψに基づいて作成したトルクと前記電流との関係を表すデータテーブルあるいは関数を用いて前記電流の指令値を決定するモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
前記制御部は、
前記磁束鎖交数Ψに基づいて作成したトルクと回転数と前記電流との関係を表すデータテーブルあるいは関数を用いて前記電流の指令値を決定するモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
前記制御部は、
前記磁束鎖交数Ψに基づいて、前記トルク、前記巻線の電圧及び前記磁束鎖交数Ψの電流変化率の少なくとも一つを算出するモータの制御装置。
請求項1〜6、14及び16のうちのいずれかにおいて、
前記制御部は、
複数の制御モードを有するとともに、前記磁束鎖交数Ψに基づいて作成したトルクと前記電流との関係を表すデータテーブルあるいは関数を前記各制御モードごとにそれぞれ有し、
選択された前記制御モードに応じて選択した前記データテーブルあるいは関数を用いて前記電流の指令値を決定乃至内挿法にて算出するモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
前記制御部は、
前記磁束鎖交数Ψ又は前記磁束鎖交数Ψに基づいて得た電流値又は前記巻線のインダクタンス値又はそれらの近似関数値を用いて前記モータへ出力するべき電圧の指令値を求めるモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
前記制御部は、
d軸電流制御ループ及びq軸電流制御ループを有するフィードバック制御系を有するとともに前記d軸電流制御ループのループゲインGd及び前記q軸電流制御ループのループゲインGqを制御するに際して、電流動作点(id、iq)の近傍における前記ループゲインGdをd軸電流idに対するd軸磁束鎖交数Ψdの微少変化率ΔΨd/Δidに比例する値に設定し、電流動作点(id、iq)の近傍における前記ループゲインGqをq軸電流iqに対するq軸磁束鎖交数Ψqの微少変化率ΔΨq/Δiqに比例する値に設定する制御を行うモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
d軸電流制御ループ及びq軸電流制御ループを有するフィードバック制御系、もしくはd軸電圧とq軸電圧とをフィードフォワード制御するフィードフォワード制御系を有するとともに、
前記d軸電流制御ループのループゲインGd及び前記q軸電流制御ループのループゲインGqもしくは前記フィードフォワード制御系のd軸電圧フィードフォワード量FFd及びq軸電圧フィードフォワード量を、前記複数の電流としてのd、q軸電流(id、iq)を用いた前記データに基づいて演算するモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
前記磁束鎖交数決定部又は前記制御部は、
d、q軸の漏れ磁束成分として定義されるd軸漏れ磁束鎖交数Ψkd及びq軸漏れ磁束鎖交数Ψkq、あるいは、d軸漏れインダクタンスLkd及びq軸漏れインダクタンスLkqを求めて前記データの一部として用いるモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
前記磁束鎖交数決定部又は前記制御部は、
電流動作点(id、iq)及び回転角速度ωに基づいて求めた鉄損に相関を有する電気量を前記データの一部として用いるモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
前記制御部は、
d軸電流制御ループ及びq軸電流制御ループを有するフィードバック制御系を有するとともに前記フィードバック制御の遅れ時間Δtを補償するための電流制御を行うモータの制御装置。
請求項1乃至6のいずれか記載のモータの制御装置において、
前記複数の電流の各値と前記磁束鎖交数相関量の各値とのペアを記載するデータテーブルを前記データとして有し、
前記制御部は、
前記データテーブルを用いてロータ位置又はその角速度の演算を行うモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
予め求めた前記交流モータの磁束鎖交数Ψと前記複数の電流との関係を示すデータテーブルあるいは前記巻線のインダクタンスのデータテーブルからなり、前記交流モータの電圧vと電流iとの関係を示すデータDataSを前記データとして有し、
前記制御部は、
前記データに基づいて求めた前記交流モータの回転位置の推定値θsrに基づいて決定した電圧vと電流iとにより定義される電力を前記交流モータに給電し、
所定の前記回転位置の推定値θsr1と前記データDataSと外部から入力された電流指令i*とにより前記モータの電圧vsを計算し、
前記電流ipと前記電流指令i*との差、及び、前記電圧vpと前記モータの電圧vsとの差がそれぞれの小さくなる前記推定値θsr1の値を前記交流モータの回転位置θsrの推定値として最終的に決定するモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
予め求めた前記交流モータの磁束鎖交数Ψと前記複数の電流との関係を示すデータテーブルあるいは前記巻線のインダクタンスのデータテーブルからなり、前記交流モータの電圧vと電流iとの関係を示すデータDataSを前記データとして有し、
前記制御部は、
前記データに基づいて求めた前記交流モータの回転位置の推定値θsrに基づいて決定した電流ipk、電圧vpで定義される電力を前記巻線に給電し、
前記電流ipkは、所定の高周波電流成分ikを含み、
計測時点における前記電流ipk中の前記高周波電流成分ikの大きさと前記電圧vpの高周波成分vkの大きさとから前記高周波電流成分ikの所定の微少電流範囲内における前記巻線のインダクタンスLst4を求め、
補正した所定の前記回転位置の推定値θsr1と電流指令i*と前記データDataSとにより前記電流指令i*の近傍の微少電流範囲における前記巻線のインダクタンスLst5を計算し、
前記インダクタンスLst4とLst5との差が小さくなる前記回転位置θsr1の値を前記交流モータの回転位置の推定値として最終決定することを特徴とするモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
予め求めた前記交流モータの磁束鎖交数Ψと前記複数の電流との関係を示すデータテーブルあるいは前記巻線のインダクタンスのデータテーブルからなり、前記交流モータの電圧vと電流iとの関係を示すデータDataSを前記データとして有し、
前記制御部は、
前記電圧vを、ロータの回転位置θrに関係する電圧である電圧項EEと、前記回転位置θrに対して依存性が少ない電圧である電圧項EIとの和とし、
前記複数の電流の計測値と前記データから得た前記巻線のインピーダンス値とにより前記電圧項EIに相当する電圧EIsを求め、
前記電圧vから前記電圧EIsを差し引くことにより前記電圧項EEに相当する電圧EEsを求め、
前記電圧EEsを使用して前記交流モータの回転位置推定値θsrをもとめるモータの制御装置。
請求項1〜6のいずれかにおいて、
前記制御部は、
前記交流モータの電圧、電流に基づいて前記交流モータの回転位置をセンサレスに推定するセンサレス位置検出手段と、
回転座標系で表示された信号を用いて前記交流モータの電流制御を行う回転座標制御手段と、
静止直交座標系乃至三相静止座標系で表示された信号を用いて前記交流モータの電流を制御する固定座標制御手段と
を備えるモータの制御装置。
Claims (27)
- それぞれモータの複数の電流(ia、ib・・・)を変数とする関数であって磁束鎖交数(Ψ)にそれぞれ相当する複数の磁束鎖交数(Ψ1(ia、ib・・・)、Ψ2(ia、ib・・・))の各値と前記各電流値との関係をデータテーブル等のデータとして備え、前記データを使用して前記モータの電流動作点(ia、ib・・・)近傍における各巻線の電圧あるいは巻線インピーダンス等を求め、モータのトルク、速度、位置等を制御することを特徴とするモータの制御方法。
- 請求項1において、
制御対象とするモータが永久磁石を備えるモータである
ことを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1、2において、
前記データテーブルの各値は、各磁束鎖交数Ψ1(ia、ib・・・)、Ψ2(ia、ib、・・・)、の各電流値の時の値へ定数を加算した値、定数を乗算した値、動作点の電流値に関する関数を加算した値、あるいは、動作点の電流値に関する関数を乗算した値等のように各磁束鎖交数を変換した値であることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜3において、
モータの各電流値ia、ib・・・における磁束鎖交数を、変数がia、ib・・・である近似関数である関数FΨ1(ia、ib・・・)、FΨ2(ia、ib・・・)・・・として備えることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜4において、
前記磁束鎖交数Ψの値あるいは磁束鎖交数を変換した値は有限要素法解析により計算した値より得られたものであることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜3、5において、
各電流の動作点(ia、ib・・・)の値に対する磁束鎖交数Ψ1(ia、ib・・・)、Ψ2(ia、ib・・・)・・・を前記データテーブルから内挿計算して求めることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
d、q軸座標系で表現されたデータテーブルであることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜7において、
固定軸の3相の座標系で表現されたデータテーブルであることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項7において、
3相交流モータであって、
d、q軸に換算した電流が(id1、iq1)の時のモータ内部の磁束の分布を求め、
d軸方向へ向いた磁束成分であって、各スロットの巻線へ鎖交する磁束φndと各スロットに巻回された巻線数Nsの積φnd×Nsを各巻線ごとに求め、
それらの磁束鎖交数の和Σ(φnd×Ns)を求め、
前記磁束鎖交数の和Σ(φnd×Ns)の1/1.4142倍をその電流(id1、iq1)の時のd軸磁束鎖交数Ψd(id1、iq1)=Σ(φnd×Ns)/1.4142とし、
同様に、q軸方向についても求め、
q軸方向へ向いた磁束成分であって、各スロットの巻線へ鎖交する磁束φnqと各スロットに巻回された巻線数Nsの積φnq×Nsを各巻線ごとに求め、
それらの磁束鎖交数の和Σ(φnq×Ns)を求め、
前記磁束鎖交数の和Σ(φnq×Ns)の1/1.4142倍をその電流(id1、iq1)の時のq軸磁束鎖交数Ψq(id1、iq1)=Σ(φnq×Ns)/1.4142とする
ことを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項7において、
3相交流の短節巻き,集中巻きで,3相の各巻線が交叉しない構造のモータの制御方法であって,
ロータのq軸をU相ステータ磁極の方向の回転位置へ固定し、3相電流のd,q軸に換算した電流が(id1,iq1)の時のモータ内部の磁束の分布を求め,
d軸方向へ向いた磁束成分であって,各歯に巻回された巻線へ鎖交する磁束φndと各巻線数Nsの積φnd×Nsを各巻線ごとに求め,
それらの磁束鎖交数の和Σ(φnd×Ns)を求め,
前記磁束鎖交数の和Σ(φnd×Ns)の1/1.4142倍をその電流(id1,iq1)の時のd軸磁束鎖交数Ψd(id1,iq1)=Σ(φnd×Ns)/1.4142とし,
同様に,q軸方向についても,ロータのd軸をU相ステータ磁極の方向の回転位置へ固定し,3相電流のd,q軸に換算した電流が(id1,iq1)の時のモータ内部の磁束の分布を求め,
q軸方向へ向いた磁束成分であって,各歯に巻回された巻線へ鎖交する磁束φnqと各巻線数Nsの積φnq×Nsを各巻線ごとに求め,
それらの磁束鎖交数の和Σ(φnq×Ns)を求め,
前記磁束鎖交数の和Σ(φnq×Ns)の1/1.4142倍をその電流(id1,iq1)の時のq軸磁束鎖交数Ψq(id1,iq1)=Σ(φnq×Ns)/1.4142とすることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項7において、
ループ状巻線を持ち,同一相のステータ磁極を同一円周上に持つ6極以上の3相モータであって,
ロータのq軸をU相ステータ磁極の方向の回転位置へ固定し,3相電流のd,q軸に換算した電流が(id1,iq1)の時のモータ内部の磁束の分布を求め,
d軸方向へ向いた磁束成分であって,各歯に巻回された巻線へ鎖交する磁束φndと各巻線数Nsの積φnd×Nsを各巻線ごとに求め,
それらの磁束鎖交数の和Σ(φnd×Ns)を求め,
前記磁束鎖交数の和Σ(φnd×Ns)の1/1.4142倍をその電流(id1,iq1)の時のd軸磁束鎖交数Ψd(id1,iq1)=Σ(φnd×Ns)/1.4142とし,
同様に,q軸方向についても,ロータのd軸をU相ステータ磁極の方向の回転位置へ固定し,3相電流のd,q軸に換算した電流が(id1,iq1)の時のモータ内部の磁束の分布を求め,
q軸方向へ向いた磁束成分であって,各歯に巻回された巻線へ鎖交する磁束φnqと各巻線数Nsの積φnq×Nsを各巻線ごとに求め,
それらの磁束鎖交数の和Σ(φnq×Ns)を求め,
前記磁束鎖交数の和Σ(φnq×Ns)の1/1.4142倍をその電流(id1,iq1)の時のq軸磁束鎖交数Ψq(id1,iq1)=Σ(φnq×Ns)/1.4142とする
ことを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項9、10、11において、
3相交流モータであって、
d、q軸に換算した電流が(id1、iq1)の時のモータ内部の磁束の分布を求め、
d軸方向へ向いた各巻線へ鎖交する磁束φndと各巻線数Nsの積φnd×Nsを各巻線ごとに求め、
それらの磁束鎖交数の和Σ(φnd×Ns)を求め、
前記磁束鎖交数の和Σ(φnd×Ns)の1/1.4142倍をその電流(id1、iq1)の時のd軸磁束鎖交数Ψd(id1、iq1)=Σ(φnd×Ns)/1.4142とし、
前記d軸磁束鎖交数Ψd(id1、iq1)とd軸電流id1の比をd軸の磁束鎖交数比例係数LLd(id1、iq1)とし、
同様に、q軸方向についても求め、
q軸方向へ向いた各巻線へ鎖交する磁束φnqと各巻線数Nsの積φnq×Nsを各巻線ごとに求め、
それらの磁束鎖交数の和Σ(φnq×Ns)を求め、
前記磁束鎖交数の和Σ(φnq×Ns)の1/1.4142倍をその電流(id1、iq1)の時のq軸磁束鎖交数Ψq(id1、iq1)=Σ(φnq×Ns)/1.4142とし、
前記q軸磁束鎖交数Ψq(id1、iq1)とq軸電流iq1の比をq軸の磁束鎖交数比例係数LLq(id1、iq1)とする
ことを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
前記磁束鎖交数Ψのデータテーブルより作成されたトルクとモータ電流の関係を表すデータテーブルあるいは関数を備えることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
前記磁束鎖交数Ψのデータテーブルより作成されたトルクと回転数とモータ電流の関係を表すデータテーブルあるいは関数
を備えることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
トルク、モータ電圧、巻線の磁束鎖交数の電流変化率等を前記磁束鎖交数Ψを基礎データとして計算あるいは制御する
ことを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6、14、16において、
モータの電流指令値を求めるための複数組の電流情報から、モータの制御モード指令に対応する一組を選択して使用するかあるいは前記の複数の電流情報を用いて内挿計算することによりモータの電流指令値を決定することを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
モータの電圧信号を、電流の値に応じた非線形なインダクタンスデータ、あるいは、電流の値に応じた磁束鎖交数データ、あるいは、電流に関するそれらの近似関数を使用して求めることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
d軸電流制御ループのループゲインをGd、q軸電流制御ループのループゲインGq、電流動作点(id、iq)の近傍におけるd軸磁束鎖交数Ψdのd軸電流idに関する微少変化率をΔΨd/Δid、電流動作点(id、iq)の近傍におけるq軸磁束鎖交数Ψqのq軸電流iqに関する微少変化率をΔΨq/Δiqとした場合に、前記ゲインGd、Gqをそれぞれ磁束鎖交数の電流変化率ΔΨd/Δid 、ΔΨq/Δiqに比例した値とすることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
d、q軸の電圧のフィードフォワード量FFd、FFq、あるいは、d、q軸電流制御ループのループゲイン定数Gd、Gqをd、q軸電流をid、iqをパラメータとして作成したデータテーブル
を備えることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
d、q軸の漏れ磁束成分であるd軸漏れ磁束鎖交数Ψkd、q軸漏れ磁束鎖交数Ψkq、あるいは、d軸漏れインダクタンスLkd、q軸漏れインダクタンスLkqを付加して制御することを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
電流の動作点(id、iq)とその回転角速度ωとに対応した鉄損成分を含めて制御することを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
制御の遅れ時間Δtを補償した電流制御を行うことを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
モータの電流の値ごとの磁束鎖交数情報を記録した前記データテーブル、あるいは、同様のインダクタンスのデータテーブル、あるいは、これらを近似関数化した情報を使用するセンサレス位置検出、センサレス角速度検出を行うことを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
モータの電圧vと電流iの関係を、あらかじめコンピュータ計算などにより得られたモータの磁束鎖交数のデータテーブルあるいはインダクタンスのデータテーブル等のデータDataSとして備え、
モータの回転位置の推定値θsrに基づいてモータへ電流ip、電圧vpを印加し、
モータの回転位置の推定値θsr1と前記データDataSと電流指令i*よりモータ電圧vsを計算し、
前記モータ電流ip、電圧vpと前記モータ電流指令i*、モータ電圧vsとのそれぞれの差が小さくなるような前記推定値θsr1をモータの回転位置推定値とすることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
モータの電圧vと電流iの関係を、あらかじめコンピュータ計算などにより得られたモータの磁束鎖交数のデータテーブルあるいはインダクタンスのデータテーブル等のデータDataSとして備え、
モータの回転位置の推定値θsrに基づいて高周波電流成分ikを重畳した電流ipk、電圧vpを印加し、
計測タイミングでの電流ipkの高周波成分ikと電圧vpの高周波成分vkとからその高周波電流成分の微少電流範囲におけるインダクタンスLst4を計測、計算し、
モータの回転位置の補正した推定値θsr1と電流指令i*より、前記データDataSを使用して、モータ電流指令i*の近傍の微少電流範囲におけるインダクタンスLst5を計算し、
前記インダクタンスLst4とLst5との差が小さくなるような回転位置θsr1をモータの回転位置の推定値とすることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
モータの電圧vと電流iの関係を、あらかじめコンピュータ計算などにより得られたモータの磁束鎖交数のデータテーブルあるいはインダクタンスのデータテーブル等のデータDataSとして備え、
モータの電圧方程式等をモータの回転位置θrに関係する電圧項EEとモータの回転位置θrに対する依存性に低い電圧項EIに分離し、
モータの計測した電流値とモータのインピーダンスより前記電圧項EIに相当する電圧EIsを求め、
モータの電圧vから前記電圧EIsを差し引くことにより前記電圧項EEに相当する電圧EEsを求め、
この電圧EEsを使用してモータの回転位置推定値θsrをもとめることを特徴とするモータの制御方法。 - 請求項1〜6において、
モータの回転位置の検出を行うエンコーダ等の位置検出手段の代わりに、モータの電圧、電流等の情報からモータの回転位置を検出するセンサレス位置検出手段と、
d相、q相等の回転座標で制御するモータ電流の回転座標制御手段と、
α相、q相、あるいは、U相、V相、W相等の固定座標で制御するモータ電流の固定座標制御手段と
を備えることを特徴とするモータの制御装置。
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